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Verfahren zum Schmelzen von zumindest teilweise reduziertem
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Eisenerz, Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens sowie Verwendung
der Reaktionsgase und Gichtgase einer derartigen Vorrichtung Die Erfindung bezieht
sich auf ein Verfahren zum Schmelzen von zumindest teilweise reduziertem Eisenerz,
insbesondere Eisenschwamm, in einem Einschmelzvergaser, in welchem aus eingebrachter
Kohle und eingeblasenem O2-haltigen Gas die zum Schmelzen des reduzierten Materials
erforderliche Temperatur, Wärme und ein Reduktionsgas erzeugt werden, bei welchem
die Einsatzkohle vor Einbringen in den Einschmelzvergaser zumindest teilweise entgast
wird, sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens und die Verwendung
von im Rahmen dieser Vorrichtung auftretenden Gasen im Rahmen dieses Verfahrens.
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Aus der DE-OS 33 45 107 ist bereits ein Verfahren bekannt geworden,
bei welchem als Kohleeinsatz Steinkohle mit mehr als 25 % an flüchtigen Bestandteilen
waf(=wasser- und aschefrei) verwendet wird und diese Kohle vor dem Einbringen in
den Einschmelzvergaser in einem Herdofen verkokt wird.
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Diese spezielle Begrenzung auf bestimmte Einsatzkohlen und eine bestimmte
Art der Verkokung diente bei diesem bekannten Verfahren dazu, besonders stabile
Bedingungen in der Wirbelschicht aufrechtzuhalten und die KorngröBe in der Wirbelschicht
auf ein vorgegebenes Maß einstellen zu können.
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Aus der US-PS 3 038 795 ist ein Schmelz- bzw.
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Reduktionsverfahren bekannt geworden, bei welchem auf die Vorteile
einer Entgasung von gasreichen Kohlen verwiesen wird. Bei diesem bekannten Verfahren
werden gasreiche feste Brennstoffe durch Behandlung mit dem heißen Abgasstrom entgast
und in der Folge aus diesem Gasstrom wieder unter
Verwendung von
Separatoren abgetrennt. Es wird somit ein relativ hoher Anteil verkokter Partikel
mit geringer Korngröße gebildet, und derartiges Feinstmaterial ist für die Verwendung
in einem Einschmelzvergaser nicht ohne weiteres geeignet. Es wurde daher bei vorangehenden
Vorschlägen immer darauf abgezielt, die Homogenität der Partikelgröße für die Aufrechterhaltung
eines stabilen Fließbettes sicherzustellen.
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Je nach gewählter Einsatzkohle ist nun bei Einschmelzvergasern neben
einer Vergasung der Kohle mit Sauerstoff zu heißen, qualitativ hochwertigen Reduktionsgasen
und der metallurgischen Arbeit des Aufschmelzens der heißchargierten, weitgehend
vorreduzierten Eisenträger auch noch ein gewisses Maß an Entgasung im Kopf des Einschmelzvergasers
zu leisten.
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Ein vollständiger Verzicht auf eine derartige Entgasungsarbeit im
Kopf des Reaktors läßt sich nur dann erreichen, wenn tatsächlich vollständig entgaster
Koks eingesetzt wird, was jedoch mit erheblichen Mehrkosten verbunden ist.
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Die Erfindung zielt nun darauf ab, die Vorteile bekannter Einschmelzvergaser
bei Einsatz von minderwertigen Kohlenstoffträgern aufrechtzuerhalten und die Verfahrensführung
in einfacher Weise an unterschiedliche Qualitäten der Kohlenstoffträger anpassen
zu können. Zur Lösung dieser Aufgabe besteht die Erfindung im wesentlichen darin,
daß die Entgasung in einem mit dem Kopf des Einschmelzvergasers verbundenen Entgasungsreaktor
vorgenommen wird, welchem heiße Abgase des nachfolgenden Einschmelzvergasers, Sauerstoff
und/oder Luft und gegebenenfalls Gichtgas aus der Erzreduktion zugeführt werden.
Dadurch, daß die Entgasung aus dem Kopf des Einschmelzvergasers ausgegliedert wird
und in einem gesonderten Entgasungsreaktor vorgenommen wird, ergibt sich nunmehr
die Möglichkeit einer Brennstoffvor- bzw. -aufbereitung, welche den Weg zur Verwendung
minderwertiger Kohlen mit höheren Gehalten an flüchtigen Bestandteilen freimacht.
Ein derartiger Entgaser kann so betrieben werden, daß in diesem Prozeßabschnitt
keine schmelzflüssigen Schlacken anfallen, und es läßt sich im Entgaser die Temperatur
in einer Weise
steuern und völlig frei wählen, welche mit Rücksicht
auf die metallurgischen Erfordernisse im Vergaserkopf nicht ohne weiteres möglich
wäre. Der Entgaser kann hiebei durch kontrollierte Teilverbrennung eines Teiles
der Einsatzkohle bezüglich seines Entgasungsverlaufes und der gewünschten Temperaturen
in weiten Grenzen kontrolliert werden und kann gleichzeitig als Aggregat verwendet
werden, welches die Trennung verschiedener Korngrößenfraktionen ermöglicht.
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Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Verfahren hiebei so durchgeführt,
daß die Einsatzkohle aus dem Entgasungsreaktor in wenigstens zwei verschiedenen
Korngrößenfraktionen ausgebracht wird. Hiebei kann so vorgegangen werden, daß die
Einsatz kohle des Entgasungsreaktors gleichzeitig mit oder nach der Entgasung einer
Klassierung unterworfen wird, wobei die kleinsten Teilchen ausgetragen und gegebenenfalls
nach einer Gasreinigung unterhalb der Aufgabestelle für die dem Entgaser rückgeführten
größeren Teilchen dem Einschmelzvergaser zugeführt werden.
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Aufgrund der gesonderten und dem Einschmelzvergaser unmittelbar vorgeschalteten
Entgasung läßt sich auch eine weitergehende Kontrolle der im Betrieb des Einschmelzvergasers
auftretenden Gase sowie der Reaktions- bzw.
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Reduktionsgase vorangeschalteter Einrichtungen vornehmen. So läßt
sich aufgrund der zusätzlichen Prozeßstufe der Entgasung das bei der Erzreduktion
anfallende Gichtgas zumindest teilweise rückführen, und es hat sich beispielsweise
gezeigt, daß bei Koks der günstigste Energieverbrauch dann gegeben ist, wenn etwa
25 % des Gichtgases regeneriert werden. Im Fall von Fettkohle, welche etwa 22 %
flüchtige Bestandteile waf aufweist, konnte ein Optimum für eine Gichtgasregenerierung
im Ausmaß von etwa 10 % gefunden werden, wohingegen bei Gaskohle mit etwa 32 % flüchtigen
Bestandteilen waf das Optimum bereits bei 7 % Gichtgasregenerierung erreicht werden
kann. Erst bei wesentlich höheren Gehalten an flüchtigen Bestandteilen als bei der
zuletzt genannten Gaskohle ist aufgrund der
entstehenden größeren
Gasmengen bei der Entgasung eine Gichtgasregeneration nicht mehr sinnvoll. Das Trennen
des Verfahrensschrittes Entgasung von der Vergasung wird mit Zunahme der flüchtigen
Bestandteile im Hinblick auf die Temperatur führung im Vergaser bei gleichzeitiger
Beachtung der erforderlichen Reduktionsgasmenge immer günstiger. Es kann weiters
in vorteilhafter Weise das aus dem Entgasungsreaktor abgezogene Reduktionsgas gegebenenfalls
nach der Gasreinigung und vorzugsweise nach einer Entschwefelung für die Erzreduktion
herangezogen werden, wobei das reduzierte Einsatzmaterial, insbesondere heißer Eisenschwamm,
unmittelbar dem Einschmelzvergaser aufgegeben wird. Der heiße Eisenschwamm umgeht
somit die Stufe der Entgasung und gelangt unmittelbar in eine Wirbelschicht im Kopf
des Einschmelzvergasers, in welchem lediglich die metallurgischen Bedingungen und
die Bedingungen für eine Vergasung zu berücksichtigen sind. Insgesamt kann hiebei
bei höheren Temperaturen im Vergaserkopf gearbeitet werden und das Temperaturprofil
des Einschmelzvergasers im Hinblick auf die geforderte Schlacken-und Badtemperatur
leichter optimiert werden. Durch die Trennung von Entgasung und Einschmelzvergasung
können hohe und höchste Temperaturen und ein genügendes Wärmeangebot in allen Prozeßstufen
sichergestellt werden, sodaß sogar die Möglichkeit geboten wird, einen Teil der
Reduktionsarbeit aus dem Reduktionsschacht in den Vergaser zu verlegen. Es ist somit
zum Unterschied von den konventionellen Verfahren unter Verwendung eines Einschmelzvergasers
möglich, ein nur teilweise vorreduziertes Eisenerz in den Einschmelzvergaser zu
chargieren, wohingegen bei den bekannten Verfahren weitgehend vorreduziertes Ausgangsmaterial
Verwendung finden mußte. Die zulässige höhere Temperatur im Kopf des Einschmelzvergasers
erlaubt es auch, den Einschmelzvergaser konstruktiv besser an diese Temperaturführung
anzupassen. Die Verwendung des gesonderten Entgasers erlaubt das Gichtgas- bzw.
Topgasrecycling zumindest zu einem Teil über den Entgaser, wobei zusätzlich eine
entsprechende Gasmenge für die Kohletrocknung und
-vorwärmung zur
Verfügung gestellt werden kann. Die großteils im Kreislauf geführten Gase erlauben
in einfacher Weise die vorgeschlagene Aufstromklassierung des im Entgaser behandelten
Brennstoffes, und die Trennung von Entgasung und Vergasung erlaubt es, auch über
die Zeitdauer bzw. Verweilzeit im Entgaser eine Anpassung an verschiedenste Kohlen
vorzunehmen. Durch die Herabsetzung des Wassergehaltes wird eine weitere Verminderung
der endothermen Reaktionen im Vergaserkopf beobachtet, und es kann auch eine Verringerung
des Staubauswurfes erreicht werden. Insgesamt ergibt sich bei einer Senkung des
spezifischen Brennstoffverbrauchs die Verwendbarkeit höher flüchtiger Kohlen und
eine Erhöhung der Roheisen- und Schlackentemperaturen gegenüber der bekannten Verfahrensweise.
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In bevorzugter Weise wird hiebei so gearbeitet, daß im Entgasungsreaktor
eine kontrollierte Teilverbrennung vorgenommen wird, wobei vorzugsweise eine Temperatur
von 1000 - 14000C, insbesondere 1100 - 12500C, eingestellt wird.
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Die Trennung von Entgasung und Vergasung erlaubt es, darüber hinaus
in einfacher Weise eine entsprechende Entschwefelung vorzunehmen, wobei hiefür vorzugsweise
so vorgegangen wird, daß dem Entgasungsreaktor Entschwefelungsmittel, insbesondere
Kalk und/oder Dolomit, aufgegeben werden und nach der erfolgten Umsetzung aus dem
Entgasungsreaktor abgezogen werden und gegebenenfalls nach einer Regeneration dem
Entgasungsreaktor rückgeführt werden.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens
weist einen Einschmelzvergaser mit wenigstens einem Aufgabeanschluß für feste Kohlenstoffe,
für Sauerstoff, Abzugsanschlüssen für Reaktionsgas und Abstichöffnungen für Metallbad
und Schlacke auf, und ist im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß dem Einschmelzvergaser
ein Entgasungsreaktor vorgeschaltet ist, welcher über Leitungen für heiße Reaktionsgase
und Heißkoks mit dem Einschmelzvergaserkopf verbunden ist. Um eine kontrollierte
Teilverbrennung und damit eine Anhebung des Temperaturniveaus sicherzustellen,
ist
die Ausbildung hiebei vorzugsweise so getroffen, daß der Entgasungsreaktor Anschlüsse
für die Zufuhr von Sauerstoff und/oder Luft und gegebenenfalls Gichtgas eines Reduktionsschachtes
aufweist, daß an den Entgasungsreaktor ein Aufstromklassierer angeschlossen ist
und daß die aus dem Aufstromklassierer abgezogenen Feinkornanteile über eine gesonderte
Leitung dem Einschmelzvergaser zuführbar sind. In besonders einfacher Weise kann
der Entgasungsreaktor als Wirbelschichtreaktor ausgebildet sein.
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Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen
Vorrichtung werden die Reaktionsgase eines Einschmelzvergasers unmittelbar zur Entgasung
von Einsatzkohle und mit den gegebenenfalls nach Teilverbrennung der Einsatzkohle
zusätzlich gebildeten Reduktionsgasen für die Reduktion von zu chargierendem Eisenerz
verwendet. Die für die Reduktion des zu chargierenden Eisenerzes verwendeten Gase
können als Gichtgase wieder abgezogen werden und zur Vorwärmung von Kohle und gegebenenfalls
zur teilweisen Regeneration im Entgasungsreaktor herangezogen werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung schematisch
dargestellten Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen Vorrichtung näher erläutert.
In dieser zeigen Fig. 1 eine erste Ausbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
und Fig. 2 eine abgewandelte Ausbildung der Vorrichtung nach Fig. 1.
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In Fig. 1- ist mit 1 ein Trockner für Einsatzkohle bezeichnet. Die
vorgetrocknete Kohle gelangt in einen Entgasungsreaktor 2. Die grobkörnige Fraktion
der zumindest teilweise entgasten Einsatzkohle wird über einen Schneckenförderer
3 dem Kopf 4 eines Einschmelzvergasers 5 zugeführt.
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Für die Entgasung der Einsatzkohle wird aus dem Kopf 4 des Einschmelzvergasers
5 über eine Leitung 6 Reaktionsgas abgezogen und dem Entgasungsreaktor 2 zugeführt.
Zusätzlich werden über Leitungen 7 Sauerstoff bzw. sauerstoffhältige Luft dem Entgasungsreaktor
zugeführt. Die Reaktionsgase des Einschmelzvergaserkopfes 4 bestehen weitgehend
aus CO und H2,
wobei der Wärmebedarf der im Entgasungsreaktor ablaufenden
Prozesse, insbesondere die weitere Vorwärmung, die Entgasung und gegebenenfalls
bereits eine teilweise Vergasung zum Teil durch die fühlbare Wärme des aus dem Einschmelzvergaser
kommenden Reaktionsgases und zum anderen Teil durch die gesteuerte Teilverbrennung
eines Teiles der Einsatzkohle mit Sauerstoff gedeckt wird. Die Temperatur im Entgasungsreaktor
2 wird hiebei so gesteuert, daß die den Entgasungsreaktor verlassenden Reduktionsgase,
welche gemeinsam mit dem feinkörnigen Anteil der Einsatzkohle über eine Leitung
8 ausgetragen werden, 1100 - 12000C nicht unterschreiten. Diese Temperatur des abgezogenen
Reduktionsgases stellt sicher, daß eine Teerbildung nicht auftreten kann. Der Entgasungsreaktor
2 ist als Wirbelschichtreaktor ausgebildet.
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Der im Entgasungsreaktor 2 bei der Darstellung nach Fig. 1 abgezogene
heiße Koks wird in drei verschiedenen Zonen entnommen. Der Feinstkornanteil wird
zusammen mit den Reduktionsgasen uber die Leitung 8 abgezogen. Der stückige Koks
wird über die Fördereinrichtung 3 unmittelbar ausgetragen und zwischen diesen beiden
Zonen erfolgt eine zusätzliche Entnahme von mittelkörnigem Koks, welcher über eine
Leitung 9 dem Vergaserkopf 4 zugeführt wird.
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Der feinstkörnige Anteil gelangt über die Leitung 8 in einen Heißzyklon
10 und der hiebei abgeschiedene Koksstaub wird über eine Leitung 11 zusammen mit
dem Reduktionsgas als Trägergas im unteren Teilbereich über Düsen 12 dem Einschmelzvergaser
5 wieder zugeführt. Am Fuß des Einschmelzvergasers 5 münden Sauerstoffleitungen
13 für die weitere Temperaturerhöhung, wobei die Schlacke bzw. das Roheisen über
einen Abstich 14 abgezogen werden kann.
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Das den Heißzyklon verlassende heiße Reduktionsgas gelangt über einen
Entschwefelungsreaktor 15 in einen Reduktionsschacht 16, in welchem das zu chargierende
Material weitgehend vorreduziert wird. Der Entschwefelungsreaktor kann hiebei mit
Eisenschwamm aus dem Reduktionsschacht 16 beschickt werden. Der gebildete Eisenschwamm
gelangt über eine
Leitung 17 in den Einschmelzvergaserkopf 4. Das
dem Reduktionsschacht, welcher mit Eisenpellets oder Stückerz beschickt werden kann,
abgezogene Gichtgas gelangt über eine Leitung 18 in der geforderten Menge zurück
zum Entgasungsreaktor. Die überschüssige Menge wird gemeinsam mit dem über eine
Leitung 19 zurückgeführten Verbrennungsluftanteil in einer Brennkammer 20 verbrannt
bzw. zu einer Energieerzeugung ausgenutzt. Ebenso werden die überschüssigen Reduktionsgase
über eine Leitung 21 abgeleitet. Das verbrauchte Reduktionsgas kann in der Folge
über eine Leitung 22 dem Trockner 1 wiederum zugeführt werden, wobei das hiebei
entstehende Abgas über die Leitung 23 abgezogen wird.
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Dem Entgasungsreaktor 2 können, wie mit der Leitung 24 angedeutet,
Entschwefelungsmittel zugesetzt werden. Als Entschwefelungsmittel kommt in erster
Linie Kalkstein oder Dolomit in Betracht, welcher über die Leitung 25 nach seiner
Umsetzung als Kalziumsulfid bzw. Magnesiumsulfid wieder abgezogen wird. Bei Einsatz
von hochwertigem Koks erübrigt sich eine derartige Entschwefelung, wobei der Entgaser
in seiner Funktion auf eine weitgehende Vorwärmung beschränkt wird. Die Gasmenge,
insbesondere die Reduktionsgasmenge kann hiebei zweckmäßigerweise durch die Umsetzung
eines Teiles des rückgeführten Reduktionsschachtgases erhöht werden.
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Bei der Ausbildung nach Fig. 2 erfolgt, abweichend von der Ausbildung
nach Fig. 1, eine Klassierung der Korngröße der Einsatzkohle lediglich in zwei Fraktionen.
Dem Entgaser, welcher bei Temperaturen von etwa 12000C betrieben wird, wird ein
Aufstromklassierer 26 zugeschaltet, aus welchem wiederum über die Leitung 8 Reduktionsgas
mit dem Staubanteil abgezogen wird. Bei dieser Ausbildung wird über die Leitung
22, abweichend von der Ausführung nach Fig. 1, Gichtgas dem Kohletrockner rückgeführt.
Eine Teilmenge dieses Gichtgases in gesteuertem Ausmaß wird wiederum über die Leitung
18 dem Entgaser zurückgeführt.
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Der Vergaser wird mit Kopftemperaturen von ungefähr 17000C betrieben,
so daß auch eine hinreichend hohe
Temperatur für das Schlacken-
und Roheisenbad sichergestellt ist. Mit Rücksicht auf die unmittelbare Ubereinanderanordnung
des Entgasers und des Vergaserkopfes kann die Fördereinrichtung 3 gemäß Fig. 1 hier
entfallen, und es ist hier ein Schacht 27 für das Austragen der entgasten Kohle
in den Vergaser vorgesehen.
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